与其他催化剂不同的水分解催化剂

可以通过诸如阳光,风等可再生能源产生电力然后可以使用电力来分解水,这使得氢作为燃料电池等新兴能源设备的燃料。由于氢气是一种清洁燃料,世界各地的研究人员正在投入大量精力开发水分解催化剂,这对于反应的能效至关重要。

重点主要集中在所谓的氧气释放反应(OER),这可能是水分解中最具挑战性的过程。经过多年的深入研究,镍 - 氧化铁现已成为碱性条件下OER的首选催化剂,因为它具有高活性和大量的组成,并且因为它具有最高的每个反应位点的活性。金属氧化物。

大约三年前,EPFL的Xile Hu实验室的科学家发现了另一种催化剂,它比镍 - 氧化铁显着更活跃,尽管它具有相似的成分。它仍然坚固,易于合成,并且对工业应用开放。

这一发现是由胡锦涛集团的博士后方松领导的,后来他加入了中国上海交通大学的教师队伍。胡,宋和他们的同事Elitsa Petkucheva认识到其技术潜力,提交了一份国际专利申请。他们还从欧洲研究理事会获得资金,在概念验证项目中测试催化剂。该催化剂证明能够实现有效的电解槽,该电解槽可在工业条件下工作,同时需要200 mV的电压。他们现在正寻求工业合作伙伴转让这项技术。

但新催化剂在化学方面也是非常规的。“我们并不清楚为什么催化剂如此活跃,”胡说。因此,他的团队向EPFL的Clemence Corminboeuf小组寻求帮助。与她的博士后Michael Busch合作,并得到NCCR MARVEL(计算设计和新材料发现中心)的支持,Corminboeuf使用密度泛函理论(DFT)计算来寻找可能的理论解释。DFT是一种计算的量子力学方法,用于模拟和研究多体系统的结构,例如原子和分子。

结果是激进的:新催化剂的高活性源于两种相分离的铁和镍氧化物组分的协同作用,克服了先前确定的常规金属氧化物的限制,其中反应仅在单个金属位点局部发生。 。他们称之为“双功能机制”。

虽然DFT衍生的机制是假设的,但它引导了法国Synchrotron SOLEIL的Benedikt Lassalle-Kaiser催化剂活性和性质的实验研究。使用X射线吸收光谱(XAS),发现的工作发现催化剂中有两种相分离的铁和镍氧化物。但由于催化剂在催化过程中会发生组成和结构变化,因此有必要用XAS研究催化剂“在运行中”。

为此,研究人员与国立台湾大学的陈浩明教授建立了长期合作项目。在一项全面的操作XAS研究中,陈和他的研究生Chia-Shuo Hsu揭示了催化剂的独特结构:它由α-FeO​​OH的纳米团簇共价连接到α-NiOOH载体 - 这使得它成为一种与常规的镍 - 铁氧化物相反,铁 - 镍氧化物催化剂。虽然不是直接证明,但该结构与DFT提出的双功能机制兼容。

“这是一项真正的跨学科研究,涉及许多富有成效的合作,”胡说。“基础研究不仅提供了对这种非常规催化剂的结构和活性的见解,而且还导致了一种发人深省的机械假说。”